Galaxis útikalauz mindenkinek. Bálló Attila. Publio Kiadó. Minden jog fenntartva!

Átírás

1

2 Galaxis útikalauz mindenkinek Bálló Attila Publio Kiadó 2015 Minden jog fenntartva!

3 Előszó Egy fura könyvet tart a kezében Kedves Olvasóm. Nem vagyok sem csillagász, sem asztro-, elméleti, vagy más szakterületű fizikus. Csak egy olyan ember, akit közel harmincöt éve érdekel a csillagászat, és az atomok világa. Ezért, és az időközben egyre inkább teret hódító slef-publishing, azaz a könyvkiadás csináld magad verziója ébresztették bennem a gondolatot, hogy leírjam ezeket az ismereteket, természetesen a teljesség igénye nélkül, és egy műkedvelő laikus nyelvén, ugyanilyen műkedvelő laikusoknak, mint amilyen magam is vagyok. Az elmúlt száz esztendőben többet fejlődött a tudomány, mint az azt megelőző pár ezer évben, és a tendencia exponenciális. Vagyis az elmúlt húsz-harminc évben többet fejlődött, mint az azt megelőző évszázad során. És a középkorral ellentétben már az sem fenyegette tudósainkat, hogy az inkvizíció máglyára küldi őket. Ez azért nagyban megkönnyítette a munkájukat. Sok könyvet olvastam ez alatt a harmincöt év alatt, és sok filmet is láttam a témákban. Ezt próbáltam formába önteni, és rendszerezni eme alkotásban. A könyv megírásánál a legnagyobb akadály az volt, hogy hol is kezdjem, és hogyan zabolázzam meg a gondolatokat, amik elszabadult vadlovak módjára akartak egyszerre papírra vetődni. Ezért aztán nem folyamatosan, egymás után születtek a fejezetek, hanem össze-vissza, aszerint, hogy épp melyik témában indult el a vezérhangya a fejemben. Ezeket azután megpróbáltam logikus sorrendbe rakni, és remélem sikerült valamiféle rendszert vinnem az írásba. A legkisebb építőelemtől a legnagyobb csillagóriásig, az Univerzum születésétől annak lehetséges végkifejletéig. De ami a legfontosabb, elmondani az, hogy mi, és a világmindenség egyek vagyunk. Ha felnézünk éjszakánként az égre, jusson eszünkbe, hogy azoknak a csillagoknak a gyermekei vagyunk, amiket odafent látunk, és azoknak a bolygókban a testvérei, melyek a mi naprendszerünket is alkotják. Csillagokból lettünk, és bennük is végezzük egykor mindannyian. (Optimista vagyok, és feltételezem, lesz akkor még emberiség!) Egy hatalmas család kicsi tagjai vagyunk. Sok milliárd csillag és bolygó közül csak egy, de mint mindegyikük, pótolhatatlan. Meg kell ismernünk ezt a világot, azaz a családunkat, hogy önmagunkat is megismerhessük, és hogy majd, egykoron, kinyújthassuk kezünket, és bátran léphessünk a csillagok útjára, megismerve más életformákat, civilizációkat, új korlátokat törjünk át a tudomány, és a fejlődés útján. (Itt jöhetne, mondjuk valami Star Trek főcímdal, és Leonard Nimoy lenne a narrátor, aki elmondaná de sajnos Spock már nem mondhatja el, sok más számomra kedves ember mellett már visszatért a csillagok közé ) Gyermekcipőben járunk, és első lépéseink még bizonytalanok, de már jó irányba tartunk. (Mondjuk az is igaz, hogy az alagút végi fényről még nem tudni, hogy napfény, avagy a szemből jövő vonat.) Egyre kevesebb az akadály a tudomány haladása előtt, és hogy egyszer fel is nőjünk a világegyetemhez, mely szülőanyánk.

4 A világmindenség építőkövei A négy alapelemet már nagyon rég felfedeztük, ami a föld, a víz, a tűz és a levegő. Sokáig hitte azt az ember, hogy e négy elemből van minden a földön. Az ókorban Arisztotelész e négy őselem keverékének azonosította mindazt, ami világunkat alkotja. Elmélete szerint a föld száraz és hideg, a víz nedves és hideg, a levegő nedves és meleg, míg a tűz száraz és meleg. Így, e tulajdonságaik keverékéből vélemény szerint elő lehet állítani mindent, mi létezik. A kémia fejlődésével persze megdőlt ez az elmélet, azonban más tudományok átvették e négy elemet. Egyikük az asztrológia, ami az állatövi jegyek mellett az évszakokat, bolygókat és az égtájakat is négyfelé osztva besorolja e négy elem valamelyikébe, ezzel egyfajta alap tulajdonsággal ruházva fel azt. A másik tudomány a pszichológia, melynek egyik atyja, Carl Young az embereket négyféle típusba sorolta be: szangvinikus, kolerikus, flegmatikus, és melankolikus. Ezeket ő is a négy őselemmel társította: kolerikus tűz, szangvinikus levegő, melankolikus föld, flegmatikus levegő. Arisztotelész elméletét sokan cáfolták, köztük Démokritosz, aki szerint a világot meghatározható számú, de nagyon kicsiny részecskék alkotják, az atomok. Az atom szó a görög atomosz szóból ered, jelentése: oszthatatlant. Ez csupán egy volt a tucatnyi, vagy még több elméletből, ami Démokritosz korában napvilágot látott, ám később ezt a megnevezést fogadta el a tudós társadalom, nem kis szerepe volt persze ebben, hogy a tudomány egyik akkori fellegvárában, Hellászban született meg a teória. A tudomány fejlődésével aztán kiderült, az atom koránt sem oszthatatlan. Pozitív töltésű protonból és semleges neutronból (együtt nukleonnak hívják), és negatív töltésű protonból áll. A proton a legnagyobb a három alkotóelemből, a neutron valamivel kisebb, és az elektron a legkisebb építőkő, töltésének nagysága azonos, de ellentétes azzal. Ha felnagyítjuk a protont üveggolyó méretűre, akkor az elektron mákszemnyi pont lenne. A három részecskéből legkorábban az elektront fedezték fel, kísérleti kimutatása 1897-ben Joseph John Thomsonnak sikerült először. Az elnevezés a görög elektron szóból származik, amely jelentése borostyánkő. A görögök borostyánkövet dörzsöltek meg más anyaggal, és így tapasztalták az elektromos vonzó tulajdonságát. Ez, a három alapvető atomi részecskéből elsőként felfedezett, különleges képességekkel rendelkezik. Azon felül, hogy a munkát az elektromosság terén igazán csak ő végzi, egy nagyon érdekes, és számunkra talán felfoghatatlan módon (számomra bizonyosan) egyszerre tud anyagként, és hullámszerű energiaként viselkedni. Vagyis nem egyszer ez, egyszer az, hanem egyszerre mindkettő. Ez valószínűleg egy olyan állapot, amit két különböző szemszögből nézve két különböző természetű jelenségnek tapasztalunk. Mint a fény, a kristályrácson az elektron is hullámként halad át, ugyanolyan elhajlást mutatva, mint a foton. Ezen felül, egy úgynevezett kettős rés kísérlet kapcsán azt fedezték fel, hogy elektronokat egyesével áteresztve az egyik, majd másik rést letakarva, azok jól elhatárolható nyomot hagytak az ernyőn, a rések mögött. Azonban ha mindkét rést szabadon hagyták, nem lehetett megállapítani, hogy az elektron melyiken haladt át, azaz még inkább: úgy nézett ki, hogy a részecske önmagával interferálva mindkét résen áthaladt! Ez az atomi tudathasadás. Egy részecske egy időben két helyen! A következő a proton volt, melyet felfedeztek, Ernest Rutherford 1917-ben bebizonyította, hogy a hidrogén atommag jelen van más elemek atommagjában, ezt az eredményét rendszerint a proton felfedezésének tekintik. Legvégül a neutront James Chadwick fedezte fel 1932-ben, és ezért 1935-ben Nobel-díjat kapott.

5 Többféle atomi modell létezett, az egyik a Thomson-féle vagy más néven mazsolás puding modell. (1. ábra) Ez egy olyan atommodell, miszerint az atomban egyenletesen oszlik el a tömeg nagy része, ami pozitív töltésű, és ebben mozognak a kis tömegű elektronok. A modellt 1904-ben Joseph John Thomson fejlesztette ki. Alapállapotban az elektronok úgy oszlanak el, hogy a helyzeti energiájuk minimális legyen. Ha megzavarják az elektronokat, akkor rezegni kezdenek. Thomson kísérleteket végzett röntgensugárzással, melynek eredménye azt mutatta, hogy az elektronok száma nagyjából a tömegszámmal egyezik. Ezt a modellt Philipp Lenard - Lénárd Fülöp, magyar származású német fizikus cáfolta meg, aki elektronokkal bombázott egy fémfóliát (Lénárd-ablak) amin eltérülés nélkül haladtak át az elektronok. Tehát az atom nem lehet tömör. A modellt Ernest Rutherford aranyfólián végzett szórási kísérlete (ő alfa részecskéket használt elektronok helyett, amik gyakorlatilag atommagok, protonból és neutronból állnak) döntötte meg, ami kimutatta, hogy az atom tömegének nagy része koncentráltan, kis térfogatban helyezkedik el, amit ma atommagnak hívunk. Ez az eredmény meglepte a tudóst, mert csak hogy megértsék, az eredmény olyan volt, mintha ágyúval lőnénk alufólia falra, melyről itt-ott visszapattan az ágyúgolyó! 1. ábra - A Thomsonféle atommodell A Rutherford-féle kísérletben voltak olyan alfa-részecskék, amelyek közel jutottak a maghoz, és erősen eltérültek, míg az elég nagy távolságban elhaladók nem térültek el jelentősen. A részecskék térbeli eloszlásának megfigyeléséből fel lehetett térképezni az atom centrumának méretét. Eszerint a pozitív töltés kis térfogatban összpontosul, az atom nagy része üres, tömegének jelentős része egy kis térrészre, a magba koncentrálódik, és az elektronok ekörül a mag körül keringenek. A modell azonban egy alapvető problémára nem tudott magyarázatul szolgálni: az atommag körül keringő, azaz gyorsuló mozgást végző elektronok miért sugároznak? Ennek következtében energiát veszítenek, és végül bele csapódnak a magba. A Rutherford-modellt, az energetikailag stabil elektronpályákat megfogalmazó Bohr-féle atommodell követte. Eszerint az elektronok meghatározott energiaszinten, és pályán mozognak a mag körül, mint a bolygók a Nap körül. Energia hatására az alacsonyabb pályán lévők egy szinttel feljebb ugranak, majd amikor ezt az energiát leadják (fotonok formájában), visszatérnek az eredeti pályájukra. Ma már az atom kvantummechanikai leírása teljesebb, ezt a modellt azonban egyszerűsége miatt még mindig tanítják.

6 2. ábra Bohr-féle atommodell A különböző szintű és energiájú elektronpályákon eltérő számú elektron tartózkodhat. Minél távolabb van a pálya a magtól, annál több. A legbelső pályán két elektron fér meg. Az atom mindig arra törekszik hogy elektronpályái telítettek legyenek, azaz ne legyen fölösleges elektronjuk. Ezért például a hidrogént, mely csupán egyetlen proton és elektron nem is találjuk meg magányos mivoltában, csakis párosával. Ily módon a két atom osztozik ugyan a két elektronon, de mindkettejük elektron pályája telített. 3. ábra - Hidrogén molekula A görög tudósnak, Démokritosznak annyiban igaza volt, hogy az atomok valóban az építőkövei mindennek, viszont amíg minden atom három építőanyagból áll, addig csupán az eddig felfedezett atomok száma 120, az általuk alkotott molekulák számáról nem is beszélve, így a proton-neutro- -elektron triumvirátus inkább nevezhető annak. Azonban a proton és neutron nem a legkisebb építőkövei az általunk ismert világnak. Ezeket is tovább bonthatjuk kisebb építőkövekre, a kvarkokra. Alapvetően hatféle kvarkot ismerünk, ezek a fel (up), a le (down) a bájos (charm) a ritka (strange) a felső (top) és az alsó (bottom). Jelölésük angol neveik kezdőbetűi után: U, D, C, S, T, P. A proton U-U-D, míg a neutron U-D-D kombinációjú.

7 4. ábra - A neutron és a proton A kvarkok nem csupán atomi részecskéket, azaz fermionokat alkotnak, ezért van a hat típus, azonban a többivel most nem foglalkozunk. A szubatomi (azaz az atomot alkotó) részecskék töltéséért is a kvarkok felelnek, míg a protonban több a pozitív töltésű, mint a negatív, míg a neutronban éppen egyenlő a két töltés aránya. A kölcsönhatásoknál, és később, a csillagok születésénél említett magfúziónál a proton pozitív kvarkot veszítve semleges neutron lesz. Azonban a kvarkok sem a legkisebb építőkövei az Univerzumunknak. Hogy megtaláljuk, a valóban, és elképzelhetetlenül kis méretek világába kell utaznunk. Amiket keresünk, azok a húrok. Az elmélet is, mely a létezésüket feltételezi, a húrelmélet, továbbfejlesztett változata pedig az M elmélet nevet viseli (arra, hogy miért éppen M az elmélet neve, csak találgatások vannak, mint: a Mindenség elmélete, Misztikus elmélet, de lehet, hogy csak a Mittudoménmianeve elmélet rövidítése). Ez eléggé bonyolult, és összetett, nem fogok most belegabalyodni, csupán a lényegét szeretném leírni. Eszerint az anyagi világot alkotó részecskéket apró energiarezgések, húrok, és a húrokból kialakuló membránok hozzák létre. Vannak kötött, és szabad húrok, és a rezgés frekvenciájától is függően hozzák létre a részecskéket. Azaz minden elemi részecskefajta egyedi frekvencián rezgő húrokból áll. Ehhez az elmélethez, hogy működőképes legyen, azaz megfelelő előrejelzéseket tudjon adni, ki kellett bővíteni a négydimenziós tér-idő modellünket (a három térbeli dimenzió mellett ugye az idő a negyedik) tizenegy dimenzióra. Az érzékelhető négy dimenzión túli plusz hét dimenzió olyan kicsi, hogy számunkra érzékelhetetlen. Azonban a részecskéket megalkotó kisméretűhúrok itt léteznek. Hogy mennyire is kicsik ezek, arra talán a következő példa a leg szemléletesebb: ha a Nap egy hidrogén atom magja (azaz egy proton), és a Föld az elektron, akkor a Földön egy fa lenne egy húr! Általuk teljesen új értelmet kap a "szférák zenéje" kifejezés, mert ezeknek a húroknak a "zenéje" hozza létre világunk anyagát, azok által energiáját, kölcsönhatásait - azaz az Univerzumot magát. Így a világmindenség egy tökéletes szimfónia, mely az idők kezdetétől szól, és ha egyszer elhallgat, az annak a végét is jelenti! 5. ábra- Húrok